Впервые физики обнаружили квантовое свойство, делающее воду странной

28.08.2021 5:34

Впервые физики обнаружили квантовое свойство, делающее воду странной

Хотя физикам известно, что явление водородных связей играет ключевую роль во многих странных и удивительных конфигурациях воды, некоторые детали того, как именно это работает, остаются довольно расплывчатыми.

Международная группа исследователей применила новый подход к отображению положения частиц, составляющих жидкую воду, фиксируя их размытость с фемтосекундной точностью, чтобы показать, как водород и кислород сталкиваются в молекулах воды.

Их результаты могут не помочь нам приготовить лучшую чашку чая, но они имеют большое значение в конкретизации квантового моделирования водородных связей, потенциально улучшая теории, объясняющие, почему вода - столь важная для жизни, какой мы ее знаем - обладает такими интригующими свойствами.

"Это действительно открыло новое окно для изучения воды", - говорит Сицзе Ван, физик из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США.

"Теперь, когда мы, наконец, можем увидеть движение водородных связей, мы хотели бы связать эти движения с более широкой картиной, которая могла бы пролить свет на то, как вода привела к возникновению и выживанию жизни на Земле, и сообщить о развитии методов возобновляемой энергии".

По отдельности отдельная молекула воды - это трехсторонняя битва за электроны между двумя атомами водорода и единственным кислородом.

Имея гораздо больше протонов, чем пара его приятелей, кислород получает немного больше любви молекулы к электронам. В результате у каждого водорода остается немного больше времени, свободного от электронов, чем обычно. Крошечные атомы не всегда остаются положительно заряженными, но это делает молекулу V-образной формы с пологим наклоном слегка положительных кончиков и слегка отрицательным ядром.

Бросьте некоторое количество этих молекул вместе с достаточной энергией, и небольшие изменения в заряде будут располагаться соответствующим образом, при этом одни и те же заряды будут раздвигаться, а разные заряды собираются вместе.

Хотя все это может показаться достаточно простым, движок, стоящий за этим процессом, совсем не прост. Электроны перемещаются под действием различных квантовых законов, а это означает, что чем ближе мы смотрим, тем меньше мы можем быть уверены в определенных свойствах.

Раньше физики полагались на сверхбыструю спектроскопию, чтобы понять, как электроны движутся в водном хаотическом перетягивании каната, улавливая фотоны света и анализируя их сигнатуру, чтобы отобразить положение электронов.

К сожалению, при этом не учитывается важная часть декорации - сами атомы. Вдали от пассивных наблюдателей, они также изгибаются и колеблются по отношению к квантовым силам, перемещающимся вокруг них.

"Малая масса атомов водорода усиливает их квантово-волновое поведение", - говорит физик SLAC Келли Гаффни.

Впервые физики обнаружили квантовое свойство, делающее воду странной

Анимация показывает, как молекула воды реагирует на попадание лазерного света. Когда возбужденная молекула воды начинает вибрировать, ее атомы водорода (белые) притягивают атомы кислорода (красные) к соседним молекулам воды ближе, прежде чем отталкивать их, расширяя пространство между молекулами.

Чтобы понять устройство атома, команда использовала так называемый мегаэлектронвольтный сверхбыстрый прибор для дифракции электронов, или MeV-UED . Это устройство в Национальной ускорительной лаборатории SLAC осушает воду электронами, которые несут важную информацию о расположении атомов, когда они рикошетируют от молекул.

Имея достаточно снимков, можно было построить изображение с высоким разрешением колебания водорода, когда молекулы изгибаются и изгибаются вокруг них, показывая, как они тянут кислород от соседних молекул к себе, прежде чем снова яростно оттолкнуть их обратно.

"Это исследование является первым, кто напрямую демонстрирует, что реакция сети водородных связей на импульс энергии критически зависит от квантово-механической природы того, как атомы водорода расположены на расстоянии друг от друга, что долгое время считалось ответственным за уникальные атрибуты. воды и ее сети водородных связей", - говорит Гаффни.

Теперь, когда доказано, что инструмент работает в принципе, исследователи могут использовать его для изучения турбулентного вальса молекул воды при повышении давления и понижении температуры, наблюдая, как он реагирует на органические растворенные вещества, способствующие созданию жизни, или образует новые удивительные фазы в экзотических условиях.

Напомним, ранее сообщалось, что физики открыли новую экзотическую частицу.

Источник

Редакция: | Карта сайта: XML | HTML | SM
2013-2021 © "МехКорпс — роботы и киборги". Все права защищены.